12.4能源与可持续发展 课件-2025-2026学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

完成一个小目标，需要一个大智慧！ 授课教师： 12.4 能源与可持续发展 学习目标 1.知道能量是一个重要的物理量。通过列举各种实例，知道能量是如何转化的，理解能量守恒定律； 2.知道能量转移或转化的方向性，知道能量耗散； 3.知道能量的分类与应用，知道能源与社会发展的关系； 4.了解能源的开发与利用所带来的环境污染问题，认识环境污染的危害。了解未来理想能源的特征。 1 一个深刻的问题…… 能量究竟是什么？ 是一些颗粒物吗？是原子分子构成的吗？你的认识是……？ 能量是什么？没有人问我，我倒清楚，有人问我，我想说明，便茫然不解了。 问题1：家用电器待机时消耗的电能是不是消失了？如果没有消失，为什么需要节约能源？ 情境导入 观看节约能源公益广告视频 内能 电能 机械能 光能 化学能 电动机 发电机 电灯 太阳能电池 光合作用 燃烧物质 压缩二氧化氮 生物做功 电热器 地热发电 吸热反应 放热反应 热机 摩擦生热 太阳辐射 钨丝灯 学习任务一： 能量守恒定律 问题2：在电路中，电源将其他形式的能转化为电能，负载又将电能转化为内能、光能和机械能…… 那么，能量的总量会发生变化吗？ 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 这个规律叫作能量守恒定律（law of energy conservation）。 表达式：(1)，初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和。 (2)，某些能量的增加量等于其他能量的减少量。 5 历史上有很多人挖空心思想发明一种不消耗能量，却能不断对外做功的机器—永动机  魔轮永动机 滚珠永动机 磁力永动机 阿基米德螺旋永动机 水塔式永动机 软臂永动机 问题3：你认为永动机可能制成吗？ 根据能量守恒定律，任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此永动机不可能制成。 评价任务一 【例题1】如图所示是某类潮汐发电示意图．涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门(如图甲)，当落潮时，开闸放水发电(如图乙)．设海湾水库面积为5.0×108 m2，平均潮差为3.0 m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103 kg/m3，g取10 m/s2)(　　) A．2.6×104 kW　B．5.2×104 kW C．2.6×105 kW D．5.2×105 kW B 1.下列对能的转化和守恒定律的认识正确的是( ) A.某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加 B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的 D.石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了 2.一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，则下列说法正确的是( ) A.物体机械能不变，内能也不变 B.物体机械能减小，内能不变 C.物体机械能减小，内能增大，机械能与内能总量减小 D.物体机械能减小，内能增大，机械能与内能总量不变 ABC D 课堂练习 学习任务二： 能量转化或转移的方向性 问题4：既然能量是守恒的，不能被创造或消灭，只能从一个物体转移到别的物体，或者从一种形式转化为其他形式，为什么我们还要节约能源呢？ 可以看出，由于取暖和使用电器，室内温度比室外高。热量散失到室外后，是不能被回收并重新利用的。 一座房屋的红外线照片 煮好的热鸡蛋放到冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后二者温度相同。是否可以发生这样的现象：原来温度相同的鸡蛋和水，过一会水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升？ 交流讨论 手握冰块，内能从手转移到冰块 运行中的汽车，发动机温度会升高，要有专门的冷却系统给发动机降温 这些案例都说明：热现象具有方向性 1.能量的转移具有方向性 2.能量的转化具有方向性 内能总是自发地从高温物体向低温物体转移。 内燃机把汽油的化学能转化为汽车的机械能、内能。 化学能→机械能、内能 机械能、内能无法再转化回可以被利用的能源。 科学家研究发现，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 在自然界中，能量的转化过程有些是可以自然发生的，有些则不能。 燃烧过程 干电池里化学能转化为电能 电灯电能转化为内能和光能 热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难收集起来重新利用 能量耗散 足球滚停 能量的转化具有方向性：如机械能可以自发地完全转化为内能，但内能不能自发地且不能完全转化为机械能。 能量的转移具有方向性：如热量可以自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体。 1．能量转化的方向性(能量转化的不可逆性)： 能量转化的宏观过程具有方向性，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的． 燃料燃烧时一旦把热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。 梳理深化 在能量转化过程中，散失到环境中的内能很难收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。 能量耗散反映出自然界中的宏观过程具有方向性。 2.能量耗散： 能量耗散表明，在能源的利用过程中,能量的总量守恒,但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。这是自然界的能量虽然守恒,但需要节约能源的根本原因。 化学能→电能 电能→内能和光能 最后耗散在环境中 问题5：能量耗散与能量守恒是否矛盾，该怎样理解？ 答案　能量耗散和能量守恒并不矛盾。能量耗散表明，在能源利用的过程中，在可利用的品质上降低了，从便于利用变为不便于利用了，但是在能量的转化过程中，能量在数量上并没有减少。 燃料的化学能一部分转化为食物的内能，最终都转化为周围环境的内能而散失，不能被我们再利用。 　　火力发电厂燃烧燃料产生的热能最终只有40%左右转化为电能，如果进行供暖的话，燃烧产生的热能大约80%左右可以被人们利用到，剩余部分则会变为环境的内能散失。 　　一辆行驶的小轿车，燃料燃烧产生的内能有 37% 通过发动机散热系统排出，37% 直接由排气管排出，只有 26%变为发动机输出的机械能。 【例题2】(多选)下列对能量耗散理解正确的是(　 　) A．能量耗散说明能量在不断减少 B．能量耗散遵守能量守恒定律 C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失 D．能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观自发过程具有方向性 解析:在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用，这种现象叫能量耗散．能量耗散并不违反能量守恒定律，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它从能量角度反映出自然界中与热现象有关的宏观自发过程具有方向性，故A、C两项错误，B、D两项正确． BD 评价任务二 学习任务三： 能源的分类与应用 1.能源： 是指可产生各种能量或可做功的物质资源的统称。 太阳能 风能 地热能 核能 潮汐能 煤 石油 天然气 煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源，这类能源又叫作化石能源。化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源被叫作不可再生能源。 水能、风能、潮汐能等能源，归根结底来源于太阳能。这些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源。 特点：可循环使用、不断补充 2、能量和能源的区别 ①能量是守恒的，既不会增加也不会减少。 ②能源是可以提供可利用物质能量的物质，能源的利用过程存在能量耗散现象，能量耗散使得能量品质下降即能源减少，故我们要节约能源。 一次能源： 二次能源： 3、能源的分类 按形成或转换特点分 自然形成，未经加工 由一次能源经加工转换而成 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能... 焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能... 按利用技术分    新能源：           常规能源： 已大规模正常使用 正在开发，或有新的利用方式 煤、石油、天然气、水能... 太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能... 3、能源的分类 按对环境污染情况分 污染能源： 清洁能源： 对环境基本上没污染 会严重污染环境 太阳能、海洋能、风能、水能... 化石燃料（煤、石油、天然气） ①太阳能发电：太阳能的利用对环境的影响很小。利用太阳能最有前途的领域是通过太阳电池将太阳能直接转化成电能。目前我国是最大的光伏产品制造国。2015年年底，我国太阳能光伏发电累计并网容量达到4.158×107 kW，2022年9月底，我国光伏发电装机3.58亿千瓦，居世界第一，稳坐全球第一把交椅。 ②水力发电：水能是可再生能源，水电站是利用水能的重要形式。水电对环境的影响比火电小，发电成本低。到2015 年中国水电装机总量突破 3×10 8 kW， 约占全球水电装机总量的1/4，居世界第一. 葛洲坝水电站 三峡水电站 ③风能发电：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”。我国风力资源丰富，尤其是西北、华北、华东、西南地区。随着新能源政策的引导及风力发电、并网等技术的发展，我国风力发电开发走在了世界前列，装机容量居全球第一。 连云港临港产业区风车田 新疆达坂城风车田 ④核能发电：一些质量较大的原子核在裂变成较轻的原子核时，会释放出惊人的能量。同样质量的化学燃料与核燃料相比，如果都进行了完全反应，核燃料释放出的能量要远远大于化学燃料释放出的能量。可控制的裂变反应所释放出的能量，可以很好地被人们所利用。核电站就是利用可控核裂变来发电的。 大亚湾核电站 防城港核电站 秦山核电站 ⑤潮汐能（tide energy）是指海水周期性涨落运动中所具有的能量。其水位差表现为势能，其潮流的速度表现为动能。这两种能量都可以利用，所以是一种可再生能源。 ⑥“地热能〔Geothermal Energy〕是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达7000℃，而在80至100公英里的深度处，温度会降至650至1200℃。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量 【例题3】.研究影响风力发电机发电功率P的模型如图所示。风对叶片做功，将部分风能转化为电能。设叶片的旋转半径为r、风速恒为v、空气质量分布均匀且密度恒定，则（   ） A．P ∝ rv3 B．P ∝ r2v2 C．P ∝ r2v3 D．P ∝ rv4 C 评价任务三 学习任务四： 能源与社会发展 1.能源是人类社会活动的物质基础 2.煤炭和石油资源是有限的 柴薪时期 煤炭时期 石油时期 3.环境问题 (1)温室效应：温室效应是由于大气里温室气体（二氧化碳、甲烷等）含量增大而形成的，石油和煤炭燃烧时产生二氧化碳。 冰山熔化，海平面上升 海水倒灌，土地盐碱化 (2)酸雨：大气中酸性污染物质，如二氧化硫、二氧化碳、氢氧化物等，在降水过程中溶入雨水，使其成为酸雨，煤炭中含有较多的硫，燃烧时产生二氧化硫等物质。 工厂排放废气 酸雨破坏森林 酸雨腐蚀佛像 (3)光化学烟雾:氮氧化合物和碳氢化合物在大气中受到阳光中强烈的紫外线照射后产生的二次污染物质―――光化学烟雾。 汽车排放尾气 汽车尾气对城市的影响 STSE 一辆行驶的小汽车，燃料燃烧产生的内能有370/0通过发动机散热系统排出，370/0直接由排气管排出，只有260/0变为发动机输出的机械能。 【例题4】(2025·江苏省扬州中学高二月考)下列关于能源的说法中，正确的是（ ） A.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能 B.由于能量不会凭空消失，也不会凭空产生，总是守恒的，所以节约能 源的意义不大 C.节约能源只要提高节能意识就行，与科技进步无关 D.水能是不可再生能源 A 评价任务四 7 呵护自然生态 4 选择低碳出行 2 节约能源资源 8 参加环保实践 5 分类投放垃圾 3 践行绿色消费 9 参与监督举报 6 减少污染产生 节能环保小建议 人类 环境 能源 1 关注生态环境 人类 环境 能源 请注意： 1.正文标题为：黑体，30号字； 2.正文内容为：华文楷体，尽量不小于24号，特殊辅助性文字不低于18；根据文字量可适当调整。内容文字一行一般不能超过28个字，单页文字一般不能超过8行。 3.拍摄版本呈现内容务必与上传版本呈现的内容完全一致。 英文 1.正文标题为：以Times New Roman为主,可搭配使用Arial。字号为32—36号，特别强调可以用40号。 2.正文内容为：以Times New Roman为主,可搭配使用Arial。字号为24—28号，特别强调可用32号。 3.英文每行一般不能超过15个单词；单页文字一般不能超过8行。 40 课堂小结 能量 能量守恒定律 多种形式 转化：能量可以从一种形式转化为另一种形式 转化的不可逆性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 分类 可再生能源 不可再生能源 能源与社会发展 1.(多选)下列关于能量转化的说法中，正确的是（ ） A.能量在转化过程中，有一部分能量转化为周围环境中的内能，我们无 法把这些内能收集起来重新利用 B.各种形式的能量在转化时，总能量是不变的 C.在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但在可利用的品质上降 低了，从便于利用的变成了不便于利用的 D.各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的 ABC 课堂练习 2、(多选)下列关于能量耗散的说法正确的是 (　　 ) A.能量耗散使能的总量减少,违背了能量守恒定律 B.能量耗散是指耗散在环境中的内能很难被人类利用 C.各种形式的能量向内能的转化,是能够自动全额发生的 D.能量耗散导致能量品质的降低 解析:能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收,遵守能量守恒定律,但使得能量品质降低,故选项A错误,选项D正确;耗散的内能很难再被利用,选项B正确;其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能,但相反过程却不能够全额进行,选项C正确。故选B、C、D。 BCD 3.某地区的风速为 14 m/s， 空气的密度为1.3 kg/m3。若使风力发电机转动的风通过的截面积为400 m2，且风能的20%可转化为电能，则发电功率是多少？ 解：在 t 时间内通过横截面积为 400m2 的风能全部使风力发电机转动， 根据能量守恒定律，有： 其中：m＝ρV＝ρvtS， 其动能有20%转化为电能，故发电功率为： 4.如图所示为风力发电的情景。通过风轮机一个叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能。已知：空气的密度为ρ，风轮机叶片的长度为r，若风速为v0，每台风力发电机输出电功率为P，求此过程中： (1)单位时间内每台风力发电机获得的风能表示式； (2)风力发电机利用风能的效率表示式。 解析： (1)由能量转化和守恒定律可知： ＝ P总t　 ··· ① 而 m ＝ πr2v0tρ　 ··· ② 代入解得 P总＝ (2) η ＝ ＝ THANKS 精益求精　　 永无止境 Lavf57.83.100 $$